JPH07507360A - Improvement of magnet structure for planar magnetron sputtering - Google Patents
Improvement of magnet structure for planar magnetron sputteringInfo
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Abstract
(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。 (57) [Summary] This bulletin contains application data before electronic filing, so abstract data is not recorded.
Description
【発明の詳細な説明】 プレーナ型マグネトロン・スパッタ用磁石構造体の改良本発明は、一般的にはマ グネトロン・スパッタ法の分野に関し、より具体的には、プラズマ閉込め磁界を 改良して、低アスペクト比のターゲットに対するスパッタ効率を高めるようにし た、ブレーナ型マグネトロン・スパッタリング装置に関するものである。[Detailed description of the invention] Improvement of magnet structure for planar magnetron sputtering The present invention generally Regarding the field of Gnetron sputtering, more specifically, plasma confinement magnetic field modified to increase sputter efficiency for low aspect ratio targets. The present invention also relates to a Brehner-type magnetron sputtering device.
り材料や金属材料の薄膜を対象物又は基板の表面に堆積させるために、広(用い られている。このグロー放電スパッタ・プロセスは、通常真空室内で、しかも比 較的低い圧力に保持されたスパッタ用ガスの存在する中で行なわれる。また、ス パッタし1&板上に堆積させるその材料は、一般にターゲットと呼んでおり、そ してこれは、真空室内部の陰極上に取り付け、そしてターゲット材料の表面に形 成されるプラズマ又はグロー放電によって、それを侵食するか、又はスパッタす る。A wide range of materials is used to deposit thin films of metallic or metallic materials onto the surface of an object or substrate. It is being This glow discharge sputtering process is typically performed in a vacuum chamber and It is carried out in the presence of a sputtering gas maintained at a relatively low pressure. Also, The material that is sputtered and deposited on the plate is generally called the target, and This is mounted on the cathode inside the vacuum chamber and shaped onto the surface of the target material. The generated plasma or glow discharge may erode it or cause sputtering. Ru.
それら陰極及びターゲットは強い負電位に保持されるので、グロー放電からの正 イオンがターゲット材料を衝撃して、ターゲットの原子を放出させる。これらタ ーゲット原子は次に基板表面上で凝縮して、基板上にターゲット材料の薄い膜又 は層を形成する。ターゲットの所やプラズマ内においては、他の粒子や放射線も 生じ、そしてそれが堆積させた膜の特性に影響を与えることもある。The cathode and target are held at a strong negative potential, so the positive potential from the glow discharge The ions bombard the target material, causing the atoms of the target to be ejected. These types The target atoms then condense on the substrate surface, leaving a thin film or layer of target material on the substrate. forms a layer. Other particles and radiation are also present at the target and within the plasma. , which may affect the properties of the deposited film.
スパッタ率、即ち入射イオン当たりのスパッタされるターゲット原子の数は、入 射イオンのエネルギに依存する一方、総合的なスパッタ速度は、入射イオンの二 不ルギと、所与の時間の間にターゲット表面を衝撃するイオンの総数に依存する 。従って、スパッタ効率を最大限にするためには、グロー放電内のイオン及び電 子をターゲット材料の表面のできるだけ近くに生成し閉じ込めることが望ましい 。この目的のために、マグネトロン・スパッタリング装置が知られてくるにっれ て、多くの種類のものが開発され、そしてそれらの中には、磁界又は「トンネル 」を用いてグロー放電をターゲットの表面近傍に閉じ込めるものがある。The sputtering rate, i.e. the number of target atoms sputtered per incident ion, is While it depends on the energy of the incident ions, the overall sputtering rate depends on the energy of the incident ions. depends on the total number of ions bombarding the target surface during a given time . Therefore, to maximize sputtering efficiency, the ions and current in the glow discharge must be It is desirable to generate and confine the particles as close to the surface of the target material as possible. . For this purpose, magnetron sputtering equipment became known. Many types have been developed, and some of them include magnetic fields or "tunnels". '' to confine the glow discharge near the surface of the target.
はとんどのブレーナ型マグネトロン・スパッタリング装置は、通常、板状即ちプ レーナ型のターゲットを、このターゲットに隣接したプラズマ閉込め磁界を生成 するための適当な磁石構造体と共に備えている。様々な形状及び配置構成のプラ ズマ閉込め磁界が開発され用いられて、成功の度合いも異なっているが、共通す ることは、プラズマ閉込め磁界を、ターゲット材料の表面上に閉ループ環又は「 レーストラック」を形成するような形状にしていることである。断面で見ると、 ターゲット/陰極の磁界ループ又はアークの磁束線が磁気「トンネル」を形成し て、グロー放電を環状又はレーストラック形状のスパッタ領域に閉じ込めている 。Most Brenna-type magnetron sputtering equipment is typically plate-shaped or plate-shaped. A Lena-type target generates a plasma confinement magnetic field adjacent to this target. together with a suitable magnetic structure for Plates of various shapes and configurations Zuma confinement fields have been developed and used with varying degrees of success, but they all have one thing in common: To apply a plasma confining magnetic field to the surface of the target material in a closed-loop ring or The shape is such that it forms a race track. When viewed in cross section, The target/cathode magnetic field loop or arc flux lines form a magnetic “tunnel”. The glow discharge is confined to an annular or racetrack-shaped sputter region. .
良く知られているように、陽極とターゲット/陰極との間の高電圧によって形成 される電界は、その閉ループ磁界と合わさって作用して、グロー放電内の電子が レーストラックに沿った正味速度(net velocity)を得ることにな る。電子速度ベクトルの大きさ及び方向は、電界ベクトルEと磁界ベクトルBと のベクトル積(vector cross product) (E X E速 度として知られている)によって与えることができる。その支配的な電子の経路 の形状は、ターゲット材料のスパッタされる部分を規定する。As is well known, the formation of high voltage between the anode and the target/cathode The electric field acts in combination with the closed-loop magnetic field to cause the electrons in the glow discharge to to obtain the net velocity along the race track. Ru. The magnitude and direction of the electron velocity vector are determined by the electric field vector E and magnetic field vector B. vector cross product (E (known as degrees). the dominant electron path The shape of defines the portion of target material to be sputtered.
しかしながら、このような環状磁気トンネルを有する従来のマグネトロン・スパ ッタリング装置のほとんどにおいては、ターゲット表面上のアーク状磁界が、電 子を、従ってその支配的な電子経路を、トンネルの中央に向かって強制する、即 ち[はさみつける(pinch)J傾向がある。このピンチング効果は、プラズ マ密度、従ってスパッタによる侵食が、トンネルの中央線に沿って最も高くなる 原因となってしまう。ターゲットが徐々に侵食されるに従って、ピンチングカは 強力になる傾向があり、そのためビンチングが更に強まり、最終的にはターゲッ トにV字状の侵食溝を形成する結果となる。そのV字状侵食溝の底部がターゲッ トの裏面に達するまでにスパッタで除去されるターゲット材料の割合のことを、 ターゲット利用度(target utilization)と呼んでいる。従 来技術のスパッタ用マグネトロンのほとんどでは、ターゲット利用度は比較的低 く、約20%ないし30%の範囲である。一般に用いられているターゲット材料 は比較的高価なことが多いので、このような低ターゲット利用度は無駄であり、 スパッタ・プロセスに伴うコストを上昇させることになる。例えば、使用済みタ ーゲットをリサイクルし、新たなターゲットに再加工するとしても、ターゲット を交換し再加工するのに費やされる時間は非常に長いことがあり、いずれにして もスパッタ処理の全体的なコストを上昇させるものである。従って、ターゲット 利用度が高(なれば生産稼働時間(production run)を長くする ことができると共に、ターゲットの再処理及び交換に費やされる停止時間(do wntime)を減少させることができるので、ターゲット利用度の有意な増加 があれば、直接コストの節減に結びつくことになる。However, conventional magnetron spacing with such an annular magnetic tunnel In most of the terminating equipment, an arc-shaped magnetic field on the target surface is an immediate There is a tendency to pinch. This pinching effect is caused by plasma Spatter density, and therefore sputter erosion, is highest along the centerline of the tunnel. It becomes the cause. As the target is gradually eroded, the pinching mosquito They tend to be more powerful, which leads to even more binning and ultimately to the target. This results in the formation of V-shaped erosion grooves on the edges. The bottom of the V-shaped erosion groove is the target. The percentage of target material that is removed by sputtering before reaching the backside of the target. This is called target utilization. subordinate Most prior art sputter magnetrons have relatively low target utilization. The range is approximately 20% to 30%. Commonly used target materials are often relatively expensive, so such low target utilization is wasteful; This will increase the cost associated with the sputter process. For example, Even if the target is recycled and reprocessed into a new target, the target The time spent replacing and reworking can be very long, and in any case This also increases the overall cost of the sputter process. Therefore, the target If utilization is high (if so, production run time will be lengthened) downtime spent reprocessing and replacing targets. Significant increase in target usage as the wntime) can be reduced This will directly lead to cost savings.
長年にわたって、発明者たちはプラズマ閉込め磁界の形状を変えることによって 、かかるブレーナ型マグネトロンに関連するターゲット利用度を高めるよう試み てきた。例えば、モリソン(Morrison)は、米国特許第4180450 号において、上述のプラズマ・ビンチング効果を減少させる試みの中で、磁気ト ンネルの凸状のアーチになった磁力線の曲がりを平坦化したブレーナ型マグネト ロンを開示している。マソクレオード(Macl、eod)に発行された米国特 許第3956093号は、ターゲット上のスパッタ領域を拡大することによって 、幾らがターゲット利用度を高めている。マソクレオードは、スパッタ領域のこ の拡大を実現するのに、電磁石を用いて、可変バイアス磁界(variable magnet bias field)を、これがなければ静磁界であったも のに適用し、これによって浸食溝中央上の磁界を振動させるようにした。また、 池のマグネトロン装置には、磁石構造体全体又はタープy)を、スパッタ・プロ セス中物理的に移動させることによって侵食領域を拡張させたものもある。Over the years, inventors have discovered that by changing the shape of the plasma confining magnetic field, , attempts to increase the target utilization associated with such Brehner-type magnetrons. It's here. For example, Morrison, U.S. Patent No. 4,180,450 In an attempt to reduce the above-mentioned plasma binning effect, A Brehner-type magneto that flattens the curved lines of magnetic force that form the convex arch of the tunnel. Ron is disclosed. US special edition issued to Macl, eod No. 3,956,093 discloses that by enlarging the sputter area on the target, , Ikura is increasing target utilization. The massocreode is used in the sputter region. Electromagnets are used to create a variable bias magnetic field (variable magnet bias field), which would otherwise be a static magnetic field. This was applied to oscillate the magnetic field above the center of the erosion groove. Also, For pond magnetron equipment, the entire magnet structure or tarp can be sputter-produced. Some have expanded the eroded area by physically moving it during the process.
上記これら従来技術による装置はある程度ターゲット利用度を改善したものの、 その改善は、たいてい、電力効率の低下という犠牲を払って実現したり、あるい は磁石構造又はターゲットを物理的に移動させるために別個のあるいは付加的な 電磁コイルの追加又は複雑な装置の追加を必要とするものであった。これはスパ ッタリング装置全体のコストを上昇させる他に、スパッタ室内に多数の構成要素 を付加することによって、これら付加要素自体がスパッタを起こさないことを保 証するよう適切な注意が払われない場合、スノバソタされた膜を好ましくない不 純物で汚染する可能性がある。Although these prior art devices described above have improved target utilization to some extent, Improvements often come at the cost of reduced power efficiency, or separate or additional components to physically move the magnet structure or target. This required the addition of electromagnetic coils or complicated equipment. this is a spa In addition to increasing the overall cost of the sputtering equipment, the large number of components in the sputtering chamber By adding If proper care is not taken to ensure that the coated membrane is exposed to undesirable There is a possibility of contamination with pure substances.
ウェルティ(lefty)は、米国特許第4892633号において、磁界又は ターゲットのいずれかを振動させるために複雑な装置に頼ることな(、ターゲッ ト利用度を高める別の方法を、それに伴う欠点全てと共に、発見した。具体的に は、ウェルティは、マグネトロン・スバタリング方法及び装置において、スパッ タ領域において閉ループ磁気トンネルを形成する磁束線のいくつかが、凸状から れずかに凹状に、その曲がりを変えることを教示した。ウェルティの磁界形状の この改善により、ビンチング効果が低減すると共に、ターゲット材料をより完全 に消黄することが可能となった。しかしながら、残念なことに、ウェルティのシ ステムも欠点がない訳ではない。例えば、ウェルティが用いた磁気分流器(ma gneticshunt)は、ターゲットの表面上の磁力線を引き下げて、その 曲がりを凸状かられずかに凹状に変化させるが、これによりその磁界強度も大幅 に弱めてしまうことになる。この磁界が弱まったことによって、ターゲットの最 大許容厚が減少するので、もちろん生産稼働時間も短縮し、ターゲット交換に費 やされる停止時間が増加する。これの代替案として、より強い磁石を用いて、そ の低下した磁界強度を補償するようにすることもできる。しかしながら、残念な ことに、はとんどのスパッタ用マグネトロンはすでに、入手し得る最強の磁石を 使用しているので、この選択肢は事実上除外されている。Welty, in U.S. Pat. No. 4,892,633, describes the use of magnetic fields or Don't rely on complicated equipment to make any of your targets vibrate. We have discovered another way to increase port utilization, with all the drawbacks that come with it. specifically Welty describes a method and apparatus for magnetron sputtering. Some of the magnetic flux lines forming the closed-loop magnetic tunnel in the data region change from convex to He taught us to change the curve to a slightly concave shape. Welty's magnetic field shape This improvement reduces the binning effect and cleans the target material more completely. It became possible to remove the yellow color. Unfortunately, however, Welty's system Stems are not without their drawbacks either. For example, the magnetic shunt (ma magneticshunt) pulls down the magnetic field lines on the surface of the target and The bend changes from convex to slightly concave, but this also greatly increases the magnetic field strength. This will weaken it. This weakened magnetic field causes the target to Since the large tolerance thickness is reduced, production run time is of course reduced and target replacement costs are reduced. Increased downtime. An alternative to this is to use a stronger magnet and It is also possible to compensate for the reduced magnetic field strength. However, unfortunately In particular, most sputtering magnetrons already use the strongest magnets available. This option is effectively ruled out.
従って、別個の電磁石又は他の複雑な装置を付加して磁界をターゲットの表面上 で移動させる必要な(、かつターゲット自体を移動させる必要もなく、ターゲッ ト利用度の大幅な向上を達成する、改良したブレーナ型マグネトロン・スパッタ リング装置に対する必要性が残存している。理想的には、このようなブレーナ型 マグネトロンは、簡単な静的トンネル磁界を用いるが、磁気トンネルの強度を弱 めることなく、かつターゲット材料の最大許容厚を不当に制限することもなく、 ターゲット利用度の増加を達成するべきである。本発明以前には、そのような装 置は存在していない。Therefore, separate electromagnets or other complex devices may be added to direct the magnetic field onto the surface of the target. (and without the need to move the target itself) Improved Brener-type magnetron sputtering that achieves significant improvement in resource utilization. A need remains for a ring device. Ideally, a Brenna type like this Magnetrons use a simple static tunnel magnetic field, but the strength of the magnetic tunnel is weakened. without unduly limiting the maximum allowable thickness of the target material, Target utilization increases should be achieved. Prior to the present invention, such equipment The location does not exist.
発明の開示 従って、本発明の一般的な目的は、ターゲット利用度を改善したマグネトロン・ スパッタリング装置を提供することである。Disclosure of invention Accordingly, it is a general object of the present invention to provide a magnetron with improved target utilization. An object of the present invention is to provide a sputtering device.
本発明の他の一般的な目的は、アスペクト比が小さく厚みの大きなターゲット材 料を利用可能な、改良したマグネトロン・スパッタリング装置を提供することで ある。Another general object of the invention is to provide target materials with low aspect ratios and large thicknesses. By providing improved magnetron sputtering equipment that can utilize be.
本発明のより具体的な目的は、従来技術のマグネトロンに伴うプラズマ・ピンチ ング効果を低減するように改良を加えた磁界形状を有する、ブレーナ型マグネト ロン・スパッタリング装置を提供することである。A more specific object of the present invention is to solve the problem of plasma pinch associated with prior art magnetrons. Brainer-type magneto with improved magnetic field shape to reduce ringing effects To provide Ron sputtering equipment.
本発明の更に別のより具体的な目的は、プラズマ・ビンチング効果を低減させる が、ターゲットの表面上で磁界を振動させるための装置あるいはターゲット自体 を振動させることに頼る必要がない、改良した磁界形状を有する、ブレーナ型マ グネトロン・スパッタリング装置を提供することである。Yet another more specific object of the invention is to reduce plasma binning effects. is a device for oscillating a magnetic field on the surface of the target or the target itself. Bräner-type machining with an improved magnetic field shape that eliminates the need to rely on oscillating An object of the present invention is to provide a gnetron sputtering device.
上記並びにその他の目的を達成するために、そして本発明の目的によれば、ここ に具現化しかつ広く記述するように、本発明によって改良したブレーナ型マグネ トロン・スパッタ用の磁石構造体は、ターゲットの背面に隣接して配置し、ター ゲットの前面に隣接しかつターゲット本体内に、スパッタ領域を規定する磁束線 を有する磁界を発生するための、スパッタ用磁石構造体を備える。磁束線は、上 部磁気ローブ(lobe)、下部磁気ローブ、内側磁気ローブ及び外側磁気ロー ブを形成し、それらは全て実質的にスパッタ領域内に位置する。更に、前記磁気 ローブの強度及び方位は、上部、下部、内側及び外側磁気ローブ間にゼロ点が存 在するようにする。スパック処理中、ターゲット材料がスパッタで除去されると き、前記磁気ローブは、それぞれ上部、下部、内側及び外側閉ループ・プラズマ 閉込め磁気トンネルを形成する。In order to achieve the above and other objects, and according to the objects of the present invention, here: The Brehner-type magnet improved by the present invention, as embodied and broadly described in The magnet structure for TRON sputtering is placed adjacent to the backside of the target and Adjacent to the front face of the target and within the target body, lines of magnetic flux define the sputter region. A sputtering magnet structure is provided for generating a magnetic field having . The magnetic flux lines are above magnetic lobe, lower magnetic lobe, inner magnetic lobe and outer magnetic lobe all of which are located substantially within the sputter region. Furthermore, the magnetic The strength and orientation of the lobes are determined by the presence of a zero point between the upper, lower, inner and outer magnetic lobes. make it exist. During sppacking, when the target material is sputtered away and the magnetic lobes are upper, lower, inner and outer closed-loop plasma, respectively. Forms a confinement magnetic tunnel.
4つの別個の閉ループ・プラズマ閉込め磁気トンネルを発生するためのスパッタ 用磁石構造体の基本実施例は、磁気透過性材料から成る板状極片を備える。中央 磁石を、前記極片の実質的に中心に配置し、そのN(北)−8(南)磁気方位が 前記板状極片に実質的に垂直となるように配向させる。この中央磁石の周囲には 、複数の外側磁石を配置する。これらの各々は、これも前記極片に垂直であるが 、前記中央磁石の方位とは反対のN−3磁気方位を有する。また、複数の主内側 磁石を、中央磁石周囲で、中央磁石と外側磁石との間に配する。これら主内側磁 石の各々は、前記ベース極片に平行で、かつ前記中央磁石及び外側磁石の磁気方 位に垂直なN−3磁気方位を有する。Sputter to generate four separate closed loop plasma confinement magnetic tunnels A basic embodiment of the magnet structure comprises plate-like pole pieces made of magnetically permeable material. center A magnet is placed substantially in the center of said pole piece, and its N (north)-8 (south) magnetic orientation is It is oriented substantially perpendicular to the plate-like pole piece. Around this central magnet , a plurality of outer magnets are arranged. Each of these is also perpendicular to the pole pieces, but , has an N-3 magnetic orientation opposite to the orientation of the central magnet. Also, multiple main inner Magnets are placed around the central magnet and between the central magnet and the outer magnets. These main inner magnets Each of the stones is parallel to the base pole piece and in the magnetic direction of the central and outer magnets. It has an N-3 magnetic orientation perpendicular to the magnetic field.
本発明の方法は、スパッタ室内に低圧スパッタ環境を設定するステップと、前記 スパッタ室内に配置したターゲット上のスパッタ領域にグロー放電を形成するス テップとを含む。次に、前記ターゲットの前面に隣接しかつ前記ターゲット本体 内に複数の磁束線を有する磁界を形成する。これら磁束線は、上部磁気ローブ、 下部磁気ローブ、内側磁気ローブ及び外側磁気ローブを形成する。これらは全て 、実質的に前記スパッタ領域及びターゲット本体内に位置する。これら磁気ロー ブ在するようにする。The method of the present invention includes the steps of setting a low-pressure sputtering environment in a sputtering chamber; A sputtering device that creates a glow discharge in the sputtering area on a target placed in a sputtering chamber. Including step. next, adjacent to the front surface of the target and the target body; A magnetic field having multiple lines of magnetic flux is formed within the magnetic field. These lines of magnetic flux are the upper magnetic lobe, forming a lower magnetic lobe, an inner magnetic lobe and an outer magnetic lobe. These are all , located substantially within the sputter region and target body. These magnetic rows Be present.
本発明の更に池の目的、利点及び新規な特徴は、以下の詳細な説明に部分的に記 載してあり、以下を精読することによって当業者には部分的に明らかになるか、 あるいは本発明の実施によって修得することができよう。本発明の目的及び利点 は、上記手段によって、そして添付の特許請求の範囲に特定して指摘した組み合 わせによって、実現しかつ達成することができる。Further objects, advantages and novel features of the present invention are set forth in part in the detailed description below. or which will be partially apparent to a person skilled in the art upon perusal of the following: Alternatively, it may be acquired by implementing the present invention. Objects and advantages of the invention by means of the above and specifically pointed out in the appended claims. It can be realized and achieved by working together.
図面の簡単な説明 ここに組み入れた添付図面は、本発明の好適実施例を例示する明細書の一部を成 すものであり、詳細な説明と共に本発明の詳細な説明するのに役立つものである 。図面において、 第1図は、本発明により改良したブレーナ型マグネトロン・スパッタ用の磁石構 造体の第1実施例の、第2図の線1−1に沿った概略断面立面図であり、ターゲ ットの磁石構造体に対する位置、及び永久磁石の配置及びN−3磁気方位(no rth−south field orjentation)を示す。Brief description of the drawing The accompanying drawings, which are incorporated herein and constitute a part of the specification, illustrate preferred embodiments of the invention. and, together with the detailed description, serve to provide a detailed explanation of the invention. . In the drawing, Figure 1 shows the magnet structure for the Brehner type magnetron sputtering improved according to the present invention. 2 is a schematic cross-sectional elevational view of a first embodiment of the structure taken along line 1-1 of FIG. 2, with the target The position of the magnet relative to the magnet structure, and the arrangement of the permanent magnet and the N-3 magnetic orientation (no. rth-south field orientation).
第2図は、第1図に示したブレーナ型マグネトロン・スパッタ用磁石構造体全体 の平面図である。Figure 2 shows the entire magnet structure for Brehner type magnetron sputtering shown in Figure 1. FIG.
第3図は、第1図に示した改良したブレーナ型マグネトロン・スパッタ用磁石構 造体の第1実施例の概略断面立面図であるが、ターゲットに対する4つのローブ を有する磁界の磁束線の方位及び形状を示したものである。Figure 3 shows the improved Brener-type magnetron sputtering magnet structure shown in Figure 1. FIG. 3 is a schematic cross-sectional elevation view of a first embodiment of the structure, showing four lobes for the target; This figure shows the direction and shape of the magnetic flux lines of the magnetic field.
第4図は、第1図及び第3図に示した改良したブレーナ型マグネトロン・スパッ タ用磁石構造体の第1実施例の概略断面立面図であり、ターゲット内を侵食した 典型的な侵食溝を示すものである。Figure 4 shows the improved Brehner-type magnetron sputter shown in Figures 1 and 3. 1 is a schematic cross-sectional elevational view of a first embodiment of a magnet structure for a target, and the inside of the target is eroded. This shows a typical erosion groove.
第5図は、本発明による改良したブレーナ型マグネトロン・スパッタ用磁石構造 体と典型的な従来技術のブレーナ型マグネトロンとの、ターゲット電圧対ターゲ ット使用を比較したプロットである。Figure 5 shows the improved Brehner-type magnetron sputtering magnet structure according to the present invention. target voltage versus target with a typical prior art Brehner type magnetron. This is a plot comparing cut usage.
第6図は、本発明による改良したブレーナ型マグネトロン・スパッタ用磁石構造 体の第2実施例の概略断面立面図である。Figure 6 shows the improved Brehner-type magnetron sputtering magnet structure according to the present invention. Figure 3 is a schematic cross-sectional elevational view of a second embodiment of the body;
第7図は、第6図に示した本発明による改良したブレーナ型マグネトロン・スパ ッタ用磁石構造体の第2実施例の概略断面立面図であり、ターゲットに対する、 4つのローブを有する磁界の磁束線の対応する方位及び形状を示すものである。FIG. 7 shows the improved Brener-type magnetron spacing according to the present invention shown in FIG. FIG. 2 is a schematic cross-sectional elevational view of a second embodiment of a magnet structure for a target; 2 shows the corresponding orientation and shape of the magnetic flux lines of a magnetic field with four lobes.
第8図は、改良したブレーナ型マグネトロン・スパッタ用構造体の第3実施例の 概略断面立面図である。FIG. 8 shows a third embodiment of the improved Brehner-type magnetron sputtering structure. FIG. 2 is a schematic cross-sectional elevational view.
第9図は、改良したブレーナ型マグネトロン・スパッタ用構造体の第4実施例の 概略断面立面図である。FIG. 9 shows a fourth embodiment of the improved Brehner-type magnetron sputtering structure. FIG. 2 is a schematic cross-sectional elevational view.
v、10図は、改良したブレーナ型マグネトロン・スパッタ用構造体の第5実施 例の概略断面立面図である。Figure v, 10 shows the fifth implementation of the improved Brehner-type magnetron sputtering structure. FIG. 2 is a schematic cross-sectional elevation view of an example;
第11図は、改良したブレーナ型マグネトロン・スパッタ用構造体の第6実施例 の概略断面立面図である。FIG. 11 shows a sixth embodiment of the improved Brener type magnetron sputtering structure. FIG.
第12図は、改良したブレーナ型マグネトロン・スパッタ用構造体の第7実施例 の概略断面立面図である。Fig. 12 shows a seventh embodiment of the improved Brehner-type magnetron sputtering structure. FIG.
第13図は、本発明による矩形プレーナ型マグネトロン・スパッタ用磁石構造体 の平面図である。FIG. 13 shows a rectangular planar magnetron sputtering magnet structure according to the present invention. FIG.
第14図は、第13図の線14−14に沿った概略断面立面図であり、磁石構造 体の細長い中央部に対するターゲットの位置、及び永久磁石の配置とN−3磁界 力位を示す。FIG. 14 is a schematic cross-sectional elevational view taken along line 14--14 of FIG. 13, showing the magnet structure; Position of the target relative to the elongated central part of the body, and placement of the permanent magnet and N-3 magnetic field Indicates force position.
第15図は、改良した矩形プレーナ型マグネトロン・スパッタ用構造体の第2実 施例の概略断面立面図である。Figure 15 shows the second example of the improved rectangular planar magnetron sputtering structure. FIG. 2 is a schematic cross-sectional elevational view of the example.
第16図は、改良した矩形プレーナ型マグネトロン・スパッタ用構造体の第3実 施例の概略断面立面図である。Figure 16 shows the third example of the improved rectangular planar magnetron sputtering structure. FIG. 2 is a schematic cross-sectional elevational view of the example.
第17図は、改良した矩形プレーナ型マグネトロン・スパッタ用構造体の第4実 施例の概略断面立面図である。Figure 17 shows the fourth example of the improved rectangular planar magnetron sputtering structure. FIG. 2 is a schematic cross-sectional elevational view of the example.
第18図は、改良した矩形プレーナ型マグネトロン・スパッタ用構造体の第5実 施例の概略断面立面図であり、中央ブースタ磁石及びターゲットの構成を示した ものである。Figure 18 shows the fifth example of the improved rectangular planar magnetron sputtering structure. FIG. 2 is a schematic cross-sectional elevation view of the example, showing the configuration of the central booster magnet and target. It is something.
発明を実施する最良の態様 本発明による改良したブレーナ型マグネトロン・スパッタ用磁石構造体は、以下 に詳細に説明するように、特定のターゲット形状及び所望の侵食パターンに応じ て、異なる配置構成とすることができると共に、平坦な円形又は矩形の板形状の ターゲットと共に用いることができる。例えば、円形のターゲツト板を侵食する ための丸い又は円形のマグネトロンは、同心状の円形環のプラズマ閉込め磁気ト ンネルを有し、一方矩形ターゲソト用の各磁気トンネルの形状は、矩形ターゲッ トの長さのほとんどに沿って延在し、平行に離間した関係にあり、各端部で半円 形部分によって結合させて、平坦な楕円形又は「レーストラック」形状の連続ル ープを形成する、2本の線状部分を含む。従って、ここでは、本発明による改良 したマグネトロン・スパッタ用磁石構造体は、丸いあるいは矩形のいずれかのプ ランフオームを有するターゲットと共に用いるような配置構成にされたものとし て、示しかつ説明する。最後に、真空室、ターゲットを取り付けかつ冷却するた めの装置、及びターゲット陰極を電圧源に電気的に接続するための装置等、ブレ ーナ型マグネトロン・スパッタ用装置を構成し作動させるのに必要な池の構成要 素の詳細は、当業者には公知であるので、このような他の構成要素は、ここでは 図示も記述もしないこととする。更に、磁石構造体を適切な接地シールドで包囲 し、望ましくない磁石構造体のスパッタを防止すると共にアーク発生を防止する 必要性も、当業者には認識されるであろう。BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION The improved Brehner-type magnetron sputtering magnet structure according to the present invention is as follows: Depending on the specific target geometry and desired erosion pattern, as detailed in can be arranged in different configurations, and can be shaped like a flat circular or rectangular plate. Can be used with targets. For example, eroding a circular target plate A round or circular magnetron is a plasma confinement magnetron with concentric circular rings. The shape of each magnetic tunnel for rectangular targets is similar to that for rectangular targets. extending along most of the length of the Continuous loops of flat oval or “racetrack” shape, joined by shape sections. It includes two linear parts that form a loop. Therefore, here, the improvement according to the present invention will be described. The magnetron sputtering magnet structure is either round or rectangular. shall be configured for use with a target having a ramp ohm. to show and explain. Finally, a vacuum chamber is used to mount and cool the target. equipment for electrically connecting the target cathode to a voltage source, etc. The configuration of the pond necessary to configure and operate the magnetron sputtering equipment Such other components are not discussed herein as the elementary details are known to those skilled in the art. It is not shown or described. Additionally, surround the magnet structure with a suitable ground shield. This prevents unwanted spatter of the magnet structure and prevents arcing. The need will also be recognized by those skilled in the art.
端的に言えば、本発明による改良したブレーナ型マグネトロン・スパッタ用磁石 構造体の好適実施例10は、当該スパッタ用磁石構造体10上に配置した平坦で 円形のターゲット12の前面13上に4つの同心円状閉ループ磁気トンネルを発 生するような構成としたものとして、第1−3図において最良に見て取れよう。In short, the improved Brehner-type magnetron sputtering magnet according to the present invention A preferred embodiment 10 of the structure includes a flat magnet disposed on the sputtering magnet structure 10. Four concentric closed-loop magnetic tunnels are emitted on the front surface 13 of the circular target 12. It can best be seen in Figs. 1-3 as a configuration in which the
本質的には、スパッタ用磁石構造体10は、第1図にて最良に見られるように、 それぞれのN −S磁気方位を有する複数の永久磁石を、種々の水平及び垂直の 配置構成に配して取り付けた、ベース極片14を備えている。組み合わさって磁 石構造体10を形成するそれら磁石及びペース極片14は、4つのローブをもつ 独特の磁界を生成する。4つのローブ32.34.36及び38の各々は、第3 図にて最も良く示されているように、スパッタ領域を実質的に規定するものであ る。Essentially, the sputter magnet structure 10, as best seen in FIG. A plurality of permanent magnets with respective N-S magnetic orientations are placed in various horizontal and vertical directions. A base pole piece 14 is provided arranged and mounted in an arrangement. Combined with magnetic The magnets and pace pole pieces 14 forming the stone structure 10 have four lobes. Generates a unique magnetic field. Each of the four lobes 32, 34, 36 and 38 As best shown in the figure, it substantially defines the sputter area. Ru.
実際のスパッタプロセス中、磁気ローブ32.34.36及び38の各々は、別 個の閉ループ・プラズマ閉込め磁気トンネルを形成し、そして各トンネルは、タ ーゲット材料が徐々に侵食除去されるにつれ、より明白な効果をプラズマに与え るようになり、こうして個々のローブ各々に関連する磁束線をより多く露出させ ることになる。以下により詳しく説明するが、この4つのローブを有するプラズ マ閉込め磁界構成、及びこれを生成するための磁石の配置は、本発明の重要な特 徴であり、グロー放電がターゲット材料12を侵食除去していく際、そのグロー 放電の密度を実質的に均一に保たせるものである。スパッタ領域においてグロー 放電の均一性が高まることによって、本発明のターゲット利用度が大幅に向上す ることになる。During the actual sputtering process, each of the magnetic lobes 32, 34, 36 and 38 is closed-loop plasma confinement magnetic tunnels, and each tunnel As the target material is gradually eroded away, it gives the plasma a more pronounced effect. , thus exposing more of the magnetic flux lines associated with each individual lobe. That will happen. As will be explained in more detail below, this four-lobed plasma The magnetic confinement field configuration and the placement of the magnets to generate it are important features of the invention. When the glow discharge erodes and removes the target material 12, the glow This keeps the discharge density substantially uniform. Glow in sputter area By increasing the uniformity of the discharge, the target utilization of the present invention is greatly improved. That will happen.
本発明の別の重要な特徴は、磁界を形作るため及びグロー放電の均一性を改善す るために、磁界を弱める分流器(shunt)を必要としないことである。従っ て、本発明によるスパッタ用磁石構造体は、同じターゲット利用度の従来技術装 置のアスペクト比が約15:1であるのに対して、約9・1以下というアスペク ト比、即ち直径対厚さの比を有する、比較的厚いターゲット12と共に用いるこ とができる。ターゲットのアスペクト比を小さくできるので、より厚いターゲッ トをスパッタすることができるため、所与のターゲットを用いた場合の生産稼働 時間を延長することができると共に、ターゲットのリサイクル及びターゲットの 交換に伴う停止時間を短縮することもできる。更に、本発明は簡単な静磁界を用 いてターゲット利用度を高めるものであるので、ターゲットに対して磁界を移動 させる複雑な装置を必要とせず、またそれに関連する欠点も全くない。結果的に 、本発明によるスパッタ用磁石構造体全体に、エポキシのような不活性絶縁材料 を被覆すれば、このスパッタ用磁石構造体を水又はその他の冷却材に浸漬するよ うな場合に、腐食から保護することができる。Another important feature of the invention is that it is used to shape the magnetic field and improve the uniformity of the glow discharge. It does not require a shunt to weaken the magnetic field. follow Therefore, the sputtering magnet structure according to the present invention is similar to the prior art device with the same target utilization. The aspect ratio of the main frame is approximately 15:1, while the aspect ratio of approximately 9.1 or less For use with a relatively thick target 12 that has a diameter-to-thickness ratio. I can do it. Target aspect ratio can be reduced, allowing thicker targets to be can be used to sputter production runs using a given target. The time can be extended, and target recycling and target It is also possible to shorten the downtime associated with replacement. Furthermore, the present invention uses a simple static magnetic field. moving the magnetic field relative to the target to increase target utilization. It does not require any complicated equipment to carry out the process, and there are no disadvantages associated therewith. as a result , an inert insulating material such as epoxy is applied throughout the sputtering magnet structure according to the present invention. coating, the sputtering magnet structure can be immersed in water or other coolant. In such cases, it can be protected from corrosion.
本発明の改良したプレーナ型マグネトロン・スパッタ用磁石構造体の好適実施例 の詳細は、第1図、篤2図及び第3図において、最良に見ることができる。磁石 構造体10は、円形プランフオームを有する板状ターゲットをスパッタするため の円形磁界を発生するように特に構成されているので、第2図にて最良に見られ るように、円形ペース極片14の対称軸18と同心に、円形に配置された複数の 個別磁石を含む。ここで第1図及び第2図を同時に参照すると、磁石構造体10 は、円形プランフオームを有し、鉄又はニッケルのような磁気透過性材料で作ら れたベース極片14を含む。ベース極片14は、一体の中央即ち内側ペースギヤ ツブ40と外側ペースギャップ42とを含み、これらのギャップが4−ローブ形 磁界の形状を強化するのであるが、これについては後に詳しく述べる。第1図に 見られるように、単一の円柱状中央磁石16を、対称軸18と同心に、ベース極 片14の中心に取り付け、N極が極片14に隣接するように配向しである。第2 図に最良に見られるように、複数の主内側水平磁石2oを、中央磁石16の周囲 に、これも軸18と同心に配置し、環状中央即ち内側極片22によって、中央磁 石16から分離しである。後に更に詳細に述べるが、任意に複数の側内側水平磁 石24を主内側水平磁石20に取り付け、磁界強度を高めると共にその形状を多 少変形させてもよい。これは、直径が更に大きなターゲットの場合に必要となる 場合がある。最後に、複数の外側垂直磁石26を、ベース極片14の外周に取り 付け、複数の外側水平磁石28、環状外側極片3o及び外側垂直ギャップ44に よって、側内側磁石24がら分離する。Preferred embodiments of the improved planar magnetron sputtering magnet structure of the present invention The details can best be seen in FIGS. 1, 2 and 3. magnet The structure 10 is for sputtering a plate-like target having a circular planform. It is specifically constructed to generate a circular magnetic field of , best seen in Figure 2. A plurality of circularly arranged pole pieces concentric with the axis of symmetry 18 of the circular pace pole piece 14 so as to Contains individual magnets. Referring now to FIGS. 1 and 2 simultaneously, the magnet structure 10 has a circular planform and is made of magnetically permeable material such as iron or nickel. includes a base pole piece 14 with The base pole piece 14 is an integral central or inner pace gear. including a knob 40 and an outer pace gap 42, the gaps having a four-lobe shape. This strengthens the shape of the magnetic field, which will be discussed in detail later. In Figure 1 As can be seen, a single cylindrical central magnet 16 is placed concentrically with the axis of symmetry 18 with the base pole It is mounted in the center of the pole piece 14 and oriented such that the north pole is adjacent to the pole piece 14. Second As best seen in the figure, a plurality of main inner horizontal magnets 2o are arranged around the central magnet 16. , also arranged concentrically with the axis 18 , with an annular central or inner pole piece 22 . It is separated from stone 16. As will be discussed in more detail later, optionally multiple side-inside horizontal magnetic A stone 24 is attached to the main inner horizontal magnet 20 to increase the magnetic field strength and to increase its shape. It may be slightly deformed. This is necessary for larger diameter targets. There are cases. Finally, a plurality of outer vertical magnets 26 are attached to the outer periphery of the base pole piece 14. attached, a plurality of outer horizontal magnets 28, an annular outer pole piece 3o and an outer vertical gap 44. Therefore, the inner side magnet 24 is separated.
好適実施例では、磁石16.20,22.24.26及び28は、約35メガが ウス−エルステッド(MGOe)より大きな磁界エネルギ積(magnetic fieldenergy products)を有する、稀土類のネオジム鉄 硼素(NdFeB)磁石である。In the preferred embodiment, magnets 16.20, 22.24.26, and 28 have a diameter of about 35 meg. Magnetic field energy product (magnetic) larger than Ouss-Oersted (MGOe) rare earth neodymium iron with field energy products) It is a boron (NdFeB) magnet.
しかしながら、サマリウムコバルト(SmCo)磁石のような他のタイプの稀土 類磁石に置き換えても、同等の効果を得ることができる。また、バリウムフェラ イト磁石又はストロンチウムフェライト磁石のような、3.5MGOe程度の磁 界エネルギ積を有する、セラミック磁石で外側水平磁石28を置き換えても、よ い結果を得ている。However, other types of rare earths such as samarium cobalt (SmCo) magnets Even if it is replaced with a similar magnet, the same effect can be obtained. Also, barium blowjob A magnet of about 3.5 MGOe, such as a strontium ferrite magnet or a strontium ferrite magnet. Replacing the outer horizontal magnet 28 with a ceramic magnet having a field energy product also works well. I am getting good results.
第1図及び第2図に示す、改良したスパッタ用磁石構造体1oの磁石16.20 .22.24.26及び28、環状極片22及び3o、並びにギヤツブ4o、4 2及び44の前記の特定の構成は、はぼ第3図に示すような磁束線を有する4− ローブ磁界を生成する。ここで、第3図及び第7図双方に示す磁束線の描画は、 容易に商業的に入手可能で、当業者には公知の種類の、有限要素コンピュータ・ モデリング・プログラムで行なった。磁束線間の間隔は、磁束密度即ち磁界強度 に比例する。線間隔が狭い程、磁界は強いことになる。磁石自体及び磁気透過性 極片内部の磁束線は、明確化のために示していない。Magnet 16.20 of the improved sputtering magnet structure 1o shown in FIGS. 1 and 2 .. 22.24.26 and 28, annular pole pieces 22 and 3o, and gear teeth 4o, 4 The above-described specific configuration of 2 and 44 is similar to that of 4-4 with magnetic flux lines as shown in FIG. Generates a lobe magnetic field. Here, the magnetic flux lines shown in both Fig. 3 and Fig. 7 are drawn as follows. Finite element computers of the type that are readily commercially available and known to those skilled in the art. This was done using a modeling program. The spacing between magnetic flux lines is the magnetic flux density, or magnetic field strength. is proportional to. The narrower the line spacing, the stronger the magnetic field. Magnet itself and magnetic permeability The magnetic flux lines inside the pole pieces are not shown for clarity.
ここて第3図に戻ると、磁石構造体10によって形成される磁界は、ターゲット 材料12の周囲又はその内部に位置する4つの別個のローブ、即ち、上部ローブ 32、内側ローブ34、外側ローブ36及び下部ローブ38の存在を特徴として いる。先に述べたように、それぞれのローブ32.34.36及び38は各々、 実際のスパッタ・プロセス中に、別個の閉ループ・プラズマ閉込め磁気トンネル を形成する。従って、この4つのローブ32.34.36及び38は、実質上、 スパッタ領域即ち、ターゲットのスパッタが生じる容積部分を定める。この4− ローブ形磁界の別の興味深い特徴は、それら4つのローブに囲まれたスパッタ領 域内に、ゼロ点31が存在することである。このセロ点31は、空間において磁 束密度の合計がゼロになる点である。第1図に示す実施例では、ゼロ点31は、 第3図に最良に見られるように、磁気ローブ各々の屈曲点からほぼ等距離にある 。Returning now to FIG. 3, the magnetic field created by the magnet structure 10 four separate lobes located around or within the material 12, namely the upper lobes; 32, characterized by the presence of an inner lobe 34, an outer lobe 36 and a lower lobe 38 There is. As previously mentioned, each of the lobes 32, 34, 36 and 38 are Separate closed-loop plasma confinement magnetic tunnel during the actual sputtering process form. Therefore, these four lobes 32, 34, 36 and 38 are essentially Define the sputter region, ie, the volume of the target where sputtering occurs. This 4- Another interesting feature of the lobe-shaped magnetic field is the sputter region surrounded by these four lobes. There is a zero point 31 within the range. This point 31 is magnetic in space. This is the point where the sum of the flux densities becomes zero. In the embodiment shown in FIG. 1, the zero point 31 is approximately equidistant from the bending point of each magnetic lobe, as best seen in Figure 3. .
このセロ点31の存在それ自体は、本発明の目的を達成するためには必要ではな いことは、注記すべきであろう。むしろ、ゼロ点31の存在は、4つの磁気ロー ブ32.3・1.36及び38の直接的な結果であって、これらの存在こそが本 発明の目的を達成するのに必要なものである。従って、セロ点31は、4つの磁 気ローブ32.34.36及び38を規定する、特にそれらローブの強度及び方 位を規定する代替方法として役立つのである。言い換えれば、それぞれの磁気ロ ーブ32.34.36及び38は、ゼロ点31ではその正味の磁束密度がゼロと なるようなものである。本質的には、3つのローブ34.36及び38が、従来 技術において知られている単−閉ループ磁気トンネルと同様な方法で、ターゲッ ト12の上部即ち前面13付近にグロー放電内の電子を閉じ込めるのである。し かしながら、有利なことに、各ローブ34.36及び38が個々に閉ループ磁気 トンネルを形成するので、ターゲットの前面13の真上に結果的に得られるり七 −放電密度は、従来の単一ループによる磁気トンネルで可能なものより、はるか に均一に分散される。その結果、スパッタ浸食速度も、ターゲットの表面13上 で均一に分散し、第4図に示す非常に広く平坦な侵食溝46が得られる結果とな る。The existence of this cello point 31 itself is not necessary to achieve the purpose of the present invention. This should be noted. Rather, the existence of zero point 31 is due to the presence of four magnetic low points. 32.3, 1.36 and 38, and their existence is the real thing. It is necessary to achieve the purpose of the invention. Therefore, the cello point 31 has four magnetic defining the air lobes 32, 34, 36 and 38, in particular the strength and manner of these lobes; It serves as an alternative way to define the position. In other words, each magnetic The net magnetic flux density of the tubes 32, 34, 36 and 38 is zero at the zero point 31. It is something like that. Essentially, the three lobes 34, 36 and 38 are target in a manner similar to single-closed loop magnetic tunnels known in the art. The electrons in the glow discharge are confined in the upper part of the plate 12, that is, in the vicinity of the front surface 13. death However, advantageously, each lobe 34, 36 and 38 is individually closed loop magnetic Forming a tunnel, the resulting orifice directly above the front surface 13 of the target - Discharge density is much higher than that possible with conventional single-loop magnetic tunneling. evenly distributed. As a result, the sputter erosion rate also increases on the surface 13 of the target. As a result, very wide and flat erosion grooves 46 shown in FIG. 4 are obtained. Ru.
本発明で得ることがてきるこの侵食溝46は、従来技術のプレーナ型マグネトロ ンによる侵食溝よりも、大幅に広くかつ平坦であり、厚さ15,9ミリ(0,6 25インチ)のターゲットに対して約50%の範囲のターゲット利用率に対応す る。This erosion groove 46 that can be obtained with the present invention is similar to that of the conventional planar magnet. It is significantly wider and flatter than the erosion groove caused by erosion, and is 15.9 mm thick (0.6 mm It corresponds to a target utilization rate of about 50% for a target of 25 inches). Ru.
厚さがそれと同一のターゲットに対して典型的な従来技術によるプレーナ型マグ ネトロンでスパッタした場合と比較すると、僅か25%程度のターゲット利用率 である。A typical prior art planar mag for a target of the same thickness. Target usage rate is only about 25% compared to sputtering with Netron. It is.
グロー放電の均一性向上の結果として、スパッタ・プロセスの電気的インピーダ ンスが、ターゲット12の寿命中非常に安定し、これにより更に予測可能でかつ 均一な被覆を基板(図示せず)に行うことができるようになる。言い換えると、 ターゲット12の寿命中均−なスパッタ速度を達成するのに必要なターゲット電 圧を、第5図の曲線48で表しであるが、曲線50て示した典型的な従来技術の プレーナ型マグネトロンで可能なものより、大幅に平坦となっている。更に、こ れも第5図で見られるように、ターゲット利用度の向上の結果、キロワット時で 表したターゲット寿命が著しく延びた。Electrical impedance in sputtering processes as a result of improved glow discharge uniformity is very stable over the lifetime of the target 12, which makes it more predictable and A uniform coating can be applied to the substrate (not shown). In other words, The target voltage required to achieve a uniform sputtering rate over the lifetime of target 12 is The pressure is represented by curve 48 in FIG. It is significantly flatter than is possible with planar magnetrons. Furthermore, this As can be seen in Figure 5, as a result of improved target utilization, the The indicated target life was significantly extended.
先に端的に説明したように、磁界の全体的形状、並びに磁界の個々のローブ32 .34.36及び38の各々の形状は、磁石の配置構成及び磁石間の間隔を変え ることにより、そしてギャップ4o、42及び44を加えたり、除去したり、あ るいはその形状を変えたりすることによって、変更することができる。例えば、 内側ペースギャップ40並びに主及び側内側水平磁石2o及び24は、それぞれ 、磁界の上部ローブ32、内側下部ローブ34及び中間下部ローブ38を形成す る。As explained briefly above, the overall shape of the magnetic field as well as the individual lobes 32 of the magnetic field .. 34. Each shape of 36 and 38 has a different magnet arrangement and spacing between the magnets. and by adding or removing gaps 4o, 42 and 44. It can be changed by changing its shape. for example, The inner pace gap 40 and the main and side inner horizontal magnets 2o and 24 are respectively , forming an upper lobe 32, an inner lower lobe 34 and an intermediate lower lobe 38 of the magnetic field. Ru.
内側ローブ34は侵食溝46(第3図)の内側部分付近にグロー放電内の電子を 移動させかつ閉じ込めるので、その存在は本発明による磁石構造体の性能には重 要なものであり、従ってターゲット利用度の向上に第一にかかわるものである。The inner lobe 34 directs electrons in the glow discharge near the inner portion of the erosion groove 46 (FIG. 3). Its presence is critical to the performance of the magnetic structure according to the invention, as it displaces and confines it. is essential and therefore of primary concern in improving target utilization.
同様に、外側ペースギャップ42、外側水平磁石28及び環状外側極片30は、 外側ローブ36の形状及び位置に主に影響を与える。このローブは、グロー放電 内の電子を、侵食溝46の外側部分に向がって移動させかつ閉じ込めるのを助け る。Similarly, the outer pace gap 42, the outer horizontal magnet 28, and the annular outer pole piece 30 are It primarily affects the shape and position of the outer lobe 36. This lobe is a glow discharge to help move and confine electrons within towards the outer portion of the erosion groove 46. Ru.
ローブ32.34.36及び38の形状及び位置は、上記任意の磁石、即ち側内 側水平磁石24及び外側水平磁石28の組み合せ及び位置を変化させることによ って、変えることができる。例えば、スパッタ用磁石構造体の第2実施例110 は、第6図に示すように、外側水平磁石28、環状極片30及び外側ペースギャ ップ42を除去することによって、構成することができる。従って、本質的に、 磁石構造体のこの第2実施例は、円柱状中央磁石116を保持するためのペース 極片114から成るものである。主及び副の内側水平磁石120及び124を、 それぞれ中央磁石116の周囲に軸118と同心に取り付けてあり、環状内側極 片122によって中央磁石116から分離しである。第7図において最良に見ら れるように、主及び側内側水平磁石120及び124の真下に位置する中央ペー スギャップ140は、上部ローブ132、内側中間ローブ134及び中間下部ロ ーブ138の形状を強化する。外側水平磁石28及び外側ペースギャップ42を 除去することにより、外側ローブ136の形状及び位置を主に変化させる。ただ し、池のローブ132.134及び138の形状及び位置にも、程度は少ないが 、影響を与える。The shape and position of the lobes 32, 34, 36 and 38 are similar to that of any of the above magnets, i.e. By changing the combination and position of the side horizontal magnets 24 and the outer horizontal magnets 28, So, you can change it. For example, the second embodiment 110 of the magnet structure for sputtering As shown in FIG. 6, the outer horizontal magnet 28, annular pole piece 30 and outer pace gap 42 can be constructed by removing the top 42. Therefore, essentially This second embodiment of the magnet structure has a pace for holding the cylindrical central magnet 116. It consists of a pole piece 114. Main and sub inner horizontal magnets 120 and 124, Each is mounted around a central magnet 116 concentrically with the shaft 118 and has an annular inner pole. It is separated from the central magnet 116 by a piece 122. Best seen in Figure 7. The center page located directly below the main and side inner horizontal magnets 120 and 124 The spacing gap 140 includes an upper lobe 132, an inner intermediate lobe 134, and an intermediate lower lobe. The shape of the tube 138 is strengthened. The outer horizontal magnet 28 and the outer pace gap 42 Removal primarily changes the shape and position of outer lobe 136. just However, to a lesser extent, the shape and position of the pond lobes 132, 134 and 138 are also affected. , influence.
更に池の実施例も可能である。例えば、磁石構造体の第3実施例を第8図に示す 。この第3実施例210は、本発明で最も簡単な実施例を表し、極片214、中 央磁石216、この中央磁石216(Lかし環状極片22は除()の周囲に配し た複数の主内側水平磁石220、及び複数の外側垂直磁石226のみから成る。Furthermore, pond embodiments are also possible. For example, a third embodiment of the magnet structure is shown in FIG. . This third embodiment 210 represents the simplest embodiment of the invention, with the pole piece 214 A central magnet 216 is arranged around this central magnet 216 (except for the L-shaped annular pole piece 22). It consists only of a plurality of main inner horizontal magnets 220 and a plurality of outer vertical magnets 226.
この磁石構造体210も、4−ローブ形磁界構造を生成するが、はとんどのター ゲット外形について、最大ターゲット利用度を得るように最適化はしていない。This magnet structure 210 also produces a four-lobe magnetic field structure, but is The target outline is not optimized to obtain maximum target utilization.
この第3実施例210の主要な利点は、単純さである。The main advantage of this third embodiment 210 is simplicity.
中央磁石及び主内側水平磁石の磁気安定性を向上させるために、第9図に示す第 4実施例310は、主内側水平磁石320のS極と中央磁石316との間にはさ まれた環状内側極片322を含む。実際、上記様々な実施例において用いた全て の極片の主な目的は、種々の磁石の磁気安定性を向上させ、かつそれら磁石の互 いによるそして高温スパッタ環境による減磁からそれらを防ぐことである。この 第4実施例も、外側垂直磁石326を利用しているが、ベース極片314にはギ ヤノブを全く有しない。本発明による磁石構造体の第5実施例410を第]0図 に示す。これは主内側水平磁石410の下に延在する内側ペースギャップ440 を加えることによって、ターゲット利用度を向上させるものである。In order to improve the magnetic stability of the central magnet and the main inner horizontal magnet, the The fourth embodiment 310 has a sandwich between the south pole of the main inner horizontal magnet 320 and the center magnet 316. including an annular inner pole piece 322 . In fact, everything used in the various examples above The main purpose of the pole piece is to improve the magnetic stability of various magnets and to This is to prevent them from being demagnetized by heat and high temperature sputtering environments. this The fourth embodiment also utilizes an outer vertical magnet 326, but the base pole piece 314 has a gear Has no Janob. Figure 0 shows the fifth embodiment 410 of the magnet structure according to the present invention. Shown below. This is an inner pace gap 440 that extends below the main inner horizontal magnet 410. By adding , target utilization is improved.
最後に、第6及び第7実施例510及び610を、それぞれ第11図及び第12 図に示す。これらも、4−ローブ形磁界を変更し、外側下部ローブ36の形状を 強化することによってターゲット利用度を向上させ、侵食溝46(第3図)の外 周に電子を閉じ込めるのを助ける。本質的に、第6実施例510は、複数の外側 水平磁石528を、第8図に示した実施例に加えたものである。第12図に示す 第7実施例610は、外側垂直磁石626と外側水平磁石628との間に環状外 側極片630とギャップ644とを含み、更に外側水平磁石628の下に延在す る外側ペースギャップ642を含むことによって、第11図に示す実施例を幾ら か変更したものである。結果的に、第12図に示す第7実施例610の構成は、 第11図に示す実施例510よりも、外側ローブ36の形状を更に強化し、ター ゲット利用度を更に向上させることになる。Finally, the sixth and seventh embodiments 510 and 610 are shown in FIGS. 11 and 12, respectively. As shown in the figure. These also change the four-lobe magnetic field and change the shape of the outer lower lobe 36. By strengthening, target utilization is improved and outside of the erosion groove 46 (Fig. 3) Helps confine electrons to the surrounding area. Essentially, the sixth embodiment 510 includes a plurality of outer A horizontal magnet 528 is added to the embodiment shown in FIG. Shown in Figure 12 The seventh embodiment 610 includes an annular outer magnet between an outer vertical magnet 626 and an outer horizontal magnet 628. includes a side pole piece 630 and a gap 644 and further extends below the outer horizontal magnet 628. By including an outer pace gap 642, the embodiment shown in FIG. or changed. As a result, the configuration of the seventh embodiment 610 shown in FIG. The shape of the outer lobe 36 is further strengthened than the embodiment 510 shown in FIG. This will further improve the usage rate of get.
本発明によるスパッタ用磁石構造体は、円形ターゲットとは異なる、矩形ターゲ ットに用(・るように構成することもできる。先に簡単に説明したように、矩形 ターゲットに対する各磁気トンネルの形状は、2つの平行な直線部分を含む。こ れらは離間した関係で矩形ターゲットの長さのほとんどに沿って延在し、手内部 分によって各端部で結合し、平坦な楕円又はレーストラック形状の連続磁気ルー プを形成する。上記円形マグネトロンの場合と同様に、この矩形マグネトロンも 4−ローブ形磁界を有するので、4つの別個のプラズマ閉込め磁気トンネルがあ る。The sputtering magnet structure according to the present invention has a rectangular target, which is different from a circular target. It can also be configured to be used as a rectangular cut. The shape of each magnetic tunnel to the target includes two parallel straight sections. child They extend along most of the length of the rectangular target in spaced relation and are located inside the hand. Continuous magnetic loops in flat oval or racetrack shape, joined at each end by minutes form a group. Similar to the circular magnetron above, this rectangular magnetron also With a 4-lobe magnetic field, there are four separate plasma confinement magnetic tunnels. Ru.
矩形ターゲットに用いるためのスパッタ用磁石構造体710は、第13図及び第 14図を同時に参照することによって、最も良く理解することができよう。本質 的には、スパッタ用磁石構造体710は、半円及び直線磁石構造を支持するため の平坦楕円形状のベース極片714から成り、これがレーストラック形状の4− ローブ形磁界を発生する。より具体的には、ベース極片714の各半円端部71 5の外形は、第1図に示した第1実施例10の外形と同一であり、半円極片72 2によって包囲された円柱状中央磁石716並びに複数の主及び側内側水平磁石 720.724をそれぞれ含む。複数の外側垂直磁石726を、ベース極片71 64の各半円端部715の周囲に配置しである。複数の外側水平磁石728を、 側内側水平磁石7211と外側垂直磁石726との間に配置し、極片730と外 側ギャップ744とによって外側垂直磁石726から分離しである。内側ペース ギヤノブ740が、主及び側内側水平磁石720及び724の下に延在しており 、更に外側ペースギャップ742が、外側水平磁石728の下に延在している。A sputtering magnet structure 710 for use with a rectangular target is shown in FIGS. This can be best understood by simultaneously referring to Figure 14. essence Specifically, the sputtering magnet structure 710 supports semicircular and linear magnet structures. It consists of a flat elliptical base pole piece 714, which is a racetrack-shaped 4-pole piece 714. Generates a lobe-shaped magnetic field. More specifically, each semicircular end 71 of the base pole piece 714 5 is the same as that of the first embodiment 10 shown in FIG. A cylindrical central magnet 716 surrounded by 2 and a plurality of main and side inner horizontal magnets. 720.724 respectively. A plurality of outer vertical magnets 726 are connected to the base pole piece 71. 64 around each semicircular end 715. a plurality of outer horizontal magnets 728; It is arranged between the inner horizontal magnet 7211 and the outer vertical magnet 726, and the pole piece 730 and the outer It is separated from the outer vertical magnet 726 by a side gap 744 . inner pace A gear knob 740 extends below the main and side inner horizontal magnets 720 and 724. Additionally, an outer pace gap 742 extends below outer horizontal magnet 728 .
2つの半円端部715を分離する細長い矩形中央部分715゛の構成は、各半円 端部の構成と類似しているが、当該中央部分内の磁石、極片及びギャップを、円 状構成に対して、直線状に配置していることのみが異なる。ここて第14図を参 照する。中央部分715゛は、ベース極片714の半円端部715内の各円柱状 中央磁石716の間に延在する細長い中央磁石716′を含む。2つの細長い第 1水平磁石720′を、中央磁石716゛の両側に配置し、細長い内側極片72 2°によってそれらから分離しである。2つの外側垂直磁石726゛を中央部分 715゛の対向側に配置し、各外側水平磁石728゛及び外側極片730゛によ って各第1水平磁石720から分離しである。円形マグネトロンの場合と同様、 内側ペースギヤツブ740′が、各第1水平磁石720゛の下に延在し、各半円 端部714において内側ペースキャップ740と結合する。同様に、2つの外側 ペースギャップ742′が各外側水平磁石728゛の下に延在し、各半円端部7 1・1において、外側ペースギャップ742と結合する。The configuration of the elongated rectangular central portion 715' separating the two semicircular ends 715 is such that each semicircular Similar to the end configuration, but the magnets, pole pieces and gaps in the center section are The only difference is that it is arranged in a straight line. Now refer to Figure 14. illuminate The central portion 715′ includes each cylindrical portion within the semicircular end portion 715 of the base pole piece 714. Includes an elongated central magnet 716' extending between central magnets 716. two elongated no. 1 horizontal magnet 720' is placed on each side of the central magnet 716', and the elongated inner pole piece 72' It is separated from them by 2°. Two outer vertical magnets 726゛ in the center part 715゛ and each outer horizontal magnet 728゜ and outer pole piece 730゜. are separated from each first horizontal magnet 720. As in the case of a circular magnetron, An inner pace gear 740' extends below each first horizontal magnet 720' and extends in each semicircle. End 714 mates with inner pace cap 740 . Similarly, the two outer A pace gap 742' extends below each outer horizontal magnet 728' and extends between each semicircular end 742'. 1.1, it joins the outer pace gap 742.
本質的に、細長い中央部分714′は、2つの半円端部714間の磁界を「引き 延ばし」、レーストランクに7aっだ全地点において、実質的に同一断面を有す る閉ループ4−ローブ形磁気レーストランクを形成する。先に述べた円形マグネ トロンの場合のように、レーストランク状磁界の断面は4つのローブを含むため 、グロー放電の均一性、従ってターゲット利用度を高めることができる。Essentially, the elongated central portion 714' "pulls" the magnetic field between the two semicircular ends 714. "extended" and has substantially the same cross-section at all 7a points on the race trunk. form a closed loop four-lobe magnetic lace trunk. The circular magnet mentioned earlier As in the case of Tron, the cross-section of the race-trunk magnetic field contains four lobes, so , the uniformity of the glow discharge and thus the target utilization can be increased.
これも円形マグネトロンの場合と同様、本発明による矩形又はレーストラック形 マグネトロンは、様々な異なる方法で構成して、特定のターゲット及び所望のス パッタ条件に磁界の4つのローブを最適化することができる。Again, as in the case of a circular magnetron, a rectangular or racetrack shape according to the invention Magnetrons can be configured in a variety of different ways to target specific targets and desired speeds. The four lobes of the magnetic field can be optimized to the putter conditions.
例えば、本発明による矩形スパッタリング装置の第2実施例810を第15図に 示す。この実施例810は、ギャップ840°が主内側磁石820′の下から外 側水平磁石828゛ までの全域にわたっていることを除いて、前記第1実施例 710と同様である。円形マグネトロンの場合と同様、ギヤツブ840゛のこの 構成は、所与のターゲットに対するスパッタ速度を最適化する要求に応じて、4 −ローブ形磁界の位置を変化させるものである。第3実施例910は、磁石92 0°及び928゛用の極片がここではベース極片914の一体部分となっている ことを除いて、第2実施例と実質的に同様である。For example, a second embodiment 810 of a rectangular sputtering apparatus according to the present invention is shown in FIG. show. This embodiment 810 has a gap 840° extending from below the main inner magnet 820'. The first embodiment except that it covers the entire area up to the side horizontal magnet 828゛. It is similar to 710. As with the circular magnetron, this gear with an 840゛ gear The configuration can be divided into 4 depending on the need to optimize sputter rate for a given target. - It changes the position of the lobe-shaped magnetic field. The third embodiment 910 has a magnet 92 The pole pieces for 0° and 928° are now an integral part of the base pole piece 914. Except for this, this embodiment is substantially the same as the second embodiment.
矩形マグネトロンの第4実施例1010を第17図に示す。これは外側水平磁石 を有しておらず、それによって磁石構造体の構造を簡単にしたものである。この 第4実施例1010は、中央磁石1116’上に位置付けたブースタ中央磁石1 117°を加えることによって改造し、第18図に示す第5実施例1110を形 成することもできる。このブースタ磁石1117’ は磁界強度を高めて、より 厚いターゲット12°でも使用可能とするものである。好ましくは、より厚いタ ーゲット12°の中央部を切除して、ブースタ磁石1117’のための遊びを設 けると共に、ターゲット12′ の上面13゛ を磁界により近付けることがで きるようにすべきである。A fourth embodiment 1010 of a rectangular magnetron is shown in FIG. This is the outer horizontal magnet The structure of the magnet structure is thereby simplified. this The fourth embodiment 1010 has a booster center magnet 1 positioned above the center magnet 1116'. 117° to form the fifth embodiment 1110 shown in FIG. It can also be done. This booster magnet 1117' increases the magnetic field strength and This makes it possible to use even a thick target of 12 degrees. Preferably thicker tape Cut out the center part of the target 12° to provide play for the booster magnet 1117'. At the same time, it is possible to bring the upper surface 13' of the target 12' closer to the magnetic field. It should be possible to do so.
これにて、本発明の種々の実施例並びに円形及び矩形のブレーナ型マグネトロン ・スパッタリング装置の特別な構成についての詳細な説明を終える。本発明によ るブレーナ型マグネトロン・スパッタリング装置の構成要素は多くの配置が可能 であり、本発明の詳細に精通し、スパッタ用磁石構造体の主要目的が4−ローブ 形磁界を生成することを理解した後では、ここで示さず述べなかった多(の他の 配置も可能であって、当業者には明白である、ということを注記しておく。例え ば、ここに示し説明した実施例にお1プる磁石は、全てN−5矢印で示すN−8 磁気力位を有しているが、磁界方位を示す標記は任意であり、所与の実施例のた めに、磁石が逆向き即ちN極及びS極を相互交換した方位を有するように、配置 することもできるが、これは当業者には明白なことであろう。また、円形及び矩 形のマグネトロンについて、種々の異なる実施例を示したが、各形状のために示 した実施例を他の形状に用いることもできる。即ち、円形ブレーナ型マグネトロ ンに対する所与の実施例の構成を、矩形ブレーナ型マグネトロンに容易に用いる ことができ、またその逆も可能である。This concludes the discussion of various embodiments of the present invention as well as circular and rectangular Brehner magnetrons. - Finish the detailed explanation of the special configuration of the sputtering equipment. According to the present invention The components of the Brehner-type magnetron sputtering system can be arranged in many ways. Now that we are familiar with the details of the present invention, it is clear that the main purpose of the sputtering magnet structure is to After understanding that it produces a shaped magnetic field, there are many other things not shown or mentioned here. It is noted that configurations are also possible and obvious to those skilled in the art. example For example, the magnets included in the embodiments shown and described herein are all N-8 magnets, indicated by the N-5 arrow. Although the magnetic field orientation is optional, the markings indicating the magnetic field orientation are optional and may be used for a given example. In order to It may also be possible, but this will be obvious to those skilled in the art. Also, circular and rectangular Although a variety of different embodiments have been shown for the shaped magnetron, the This embodiment can also be used with other shapes. That is, circular brainer type magnetro The configuration of the given example for a rectangular brainer type magnetron can easily be used for and vice versa.
以上述べたことは、本発明の原理の単なる例示と考えている。更に、多数の改造 及び変更も当業者には容易であるので、先に示し説明したのと全く同じ構造及び 動作に、本発明を限定することを望むものではない。従って、全ての適当な改造 物及び同等物は、以下にあげる請求の範囲に規定した本発明の範囲に該当するも のである。What has been described above is considered merely illustrative of the principles of the invention. Furthermore, numerous modifications The same structure and modifications as shown and explained above are easy for those skilled in the art. There is no desire to limit the invention to the operation thereof. Therefore, all suitable modifications Products and equivalents that fall within the scope of the invention as defined in the claims below. It is.
○ too 200 Boo 400 KW−ターゲット 使用時間 FIG 5 FIG、6 FIG、8 FIG、10 FIG、1l FIG、12 フロントページの続き (81)指定国 EP(AT、BE、CH,DE。○ Too 200 Boo 400 KW-Target Usage time FIG 5 FIG.6 FIG.8 FIG. 10 FIG, 1l FIG. 12 Continuation of front page (81) Designated countries EP (AT, BE, CH, DE.
DK、ES、FR,GB、GR,IE、IT、LU、MC,NL、PT、SE) 、 AT、 AU、 BR,CA、 CH,CZ、DE、DK、ES、GB、H U、JP、KP、KR,LU、NL、No、NZ、PL、PT、RU。DK, ES, FR, GB, GR, IE, IT, LU, MC, NL, PT, SE) , AT, AU, BR, CA, CH, CZ, DE, DK, ES, GB, H U, JP, KP, KR, LU, NL, No, NZ, PL, PT, RU.
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